9.4. Схемотехническое проектирование

Назначением схемотехнического проектирования является разработка принципиальных электрических схем СБИС и РЭА. Задачи схемотехнического проектирования разделяются на задачи анализа и синтеза проектных решений.

Процедуры схемотехнического проектирования обычно непосредственно не входят в маршрут проектирования СБИС. При проектировании интегральных схем их применяют, в основном, при отработке библиотек функциональных компонентов СБИС. Но при разработке принципиальных электрических схем радиоэлектронных устройств в различных приложениях они могут стать основными проектными процедурами (наряду с конструкторским проектированием печатных плат).

Схемотехнический анализ может потребоваться также и внутри маршрута проектирования СБИС. Так, в случае МОП-схем появляется промежуточный уровень абстракции (switch level) между схемотехническим и вентильным уровнями, на котором элементами моделей являются не вентили, а МОП-транзисторы. Благодаря представлению последних в виде переключателей удается отобразить процессы в схеме более детально, чем с помощью программ логического моделирования

В области автоматизации схемотехнического проектирования наибольшее распространение получили варианты программы Spice, созданные в нескольких фирмах.

В программе PSpice для персональных компьютеров предусмотрены статический, динамический и частотный виды анализа, смешанное логико-аналоговое моделирование (mixed-signal simulation), температурный (с индивидуальными значениями температуры по приборам) и шумовой анализы, расчеты в наихудшем случае и статистический по методу Монте-Карло, спектральный анализ. В логической части реализовано событийное моделирование, выявляются риски сбоя, рассчитываются зависимые от нагрузки задержки. Для оптимизации параметров, выполняемой градиентными методами, можно использовать программу PSpice Optimizer.

В библиотеках программы PSpice имеется несколько тысяч математических моделей элементов (диодов, биполярных и полевых транзисторов, операционных усилителей, стабилизаторов, тиристоров, компараторов, магнитных устройств с учетом насыщения и гистерезиса, оптронов, кварцевых резонаторов, длинных линий с учетом задержек, отражений, потерь и перекрестных помех, и др.) Библиотека открыта для включения моделей пользователя, имеются соответствующие инструментальные средства пополнения библиотеки. Предусмотрено взаимодействие аналоговой и цифровой частей схемы.

Известен также ряд других программ аналогового и смешанного моделирования. В их число входят программы ICAP/4Window (Intusoft), Saber Mixed-technology Simulator (фирмы Analogy), Viewanalog (Viewlogic Systems), Continuum (Mentor Graphics) и др.

К числу отечественных программ схемотехнического анализа относятся программы серии ПА. Это ПА7, в которой наряду с видами анализа, обычными для программ анализа электронных схем, реализовано моделирование механических, гидравлических, тепловых процессов, и последняя версия ПА9, написанная на языке Java и тем самым ориентированная на использование в распределенных системах проектирования.

Схемотехническое проектирование радиотехнических схем (RF-схем) отличается рядом особенностей математических моделей и используемых методов, особенно в области СВЧ-диапазона. Для анализа линейных схем обычно применяют методы расчета полюсов и нулей передаточных характеристик, моделирование стационарных режимов нелинейных схем чаще всего выполняют с помощью методов гармонического баланса, основанного на разложении неизвестного решения в ряд Фурье, его подстановки в систему дифференциальных уравнений с группированием членов с одинаковыми частотами тригонометрических функций, в результате получают системы нелинейных алгебраических уравнений, подлежащие решению. Сокращение времени в случае слабо нелинейных схем достигается при моделировании СВЧ-устройств с помощью рядов Вольтерра. Анализ во временной области для ряда типов схем выполняют с помощью программ типа Spice путем интегрирования СОДУ.

Имеются специальные программы для анализа электромагнитной совместимости компонентов в конструктивах РЭА. К ним, например, относятся программы семейства Omega PLUS, с помощью которых определяется форма сигналов в конструкциях с печатными платами, кабельными соединениями, микрополосковыми линиями; анализируются статические электрические и магнитные поля в геометрических плоских и объемных конструкциях; выполняется расчет полосковых и микрополосковых устройств, взаимных индуктивностей и емкостей многопроводных линий передачи; моделируются электромагнитные излучения в печатных платах; рассчитываются задержки с учетом паразитных емкостей и индуктивностей При моделировании компоненты схемы представляются в виде линейных эквивалентных схем входных и выходных цепей, проводится частотный анализ, фиксируются максимальные амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей, электрических токов и напряжений, результаты используются для принятия необходимых конструктивных решений.